（机械工程专业论文）新型煤层气用无游梁抽水机研究.pdf

摘要 本文在对国内外油田用抽油机以及煤层气开采用抽水机市场和技术水平进行分柝 的基础上，对煤层气专用抬水机选型、运动及动力分析、优化设计进行了研究，给出了 蹑秭冲程较大，冲数较低的新型无游梁抽水机的设计方案。完成的主要工作有： 1 、对小型抽水机的选型设计进行了分析，给出选型原则，确定冲程为1 2 m ，1 5 m ， 1 8 m ，2 1 m ，2 5 m ，3 o m 等几种抽水机合理的型式，并进行主要部件的分析设计和选 择。 2 、建立了煤层气专用抽水机主参数优化设计的数学模型和优化方法，用该方法对 一种3 鍪1 5 米冲程的无游梁抽水机进行了优化设计。 3 、给患了两种无游梁抽水机的设计方案，并对该抽水机进行了运动分析、动力分 析和主要零部件的选择与强度设计。 4 、对目前煤层气开采现场使用的几种3 型1 5 米冲程的抽水机的主参数进行了对 比分析，找出其存在的不足，并给出了选择抽水机的建议。 5 、理论分析表明：该抽水机的选型设计可满足煤层气开采区块的需要，主要零部 件满足设计载荷的要求，冲程冲次可满足煤层气井更广泛的开采需要；而且该抽水机实 现了较大传动比和冲次连续可调的要求，篙亿了电气系统和传动系统，增强了抽水机豹 适应藏围，整机结构简单，重量轻，可靠性高，对我囡煤层气的开采具有重大意义。 关键词：煤层气，抽水机，无游粱抽水机，优化设计，选型分析 s t u d yo nn e wn o n - b e a mp u m p i n gu n i ti nc b mw e l l s j i a n gt a o ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e d 姆p r o f q iy a o g u a n g a b s t r a c t b a s e do i la n a l y z i n gt h em a r k e ta n dt e c h n o l o g yl e v e lo fb e a mp u m p i n gu n i tu s i n gi no i l f i e l da n dc b mw e l l s ，t h ep a p e rm a d er e s e a r c h e so nt h et y p ec h o i c e ，k i n e m a t i ca n dd y n a m i c a n a l y s i s ，o p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h en o n - b e a mp u m p i n gu n i ti nt h ec b mw e l l s ，a n dg a v et w o d e s i g np r o j e c t so fn e wn o n - b e a mp u m p i n gu n i t 蛾搬l o n gs t r o k ea n dl o ws t r o k e s 。t h em a i n a c c o m p l i s h e dw o r ki n c l u d e d ： 1 i th a sa n a l y z e dt h et y p ec h o i c ea n dt y p ed e s i g no ft h es m a l l s i z e db e a mp u m p i n gu n i t ， g a v et h ep r i n c i p l eo ft y p ec h o i c e ，d e c i d e dt h er a t i o n a lp a t t e r no fs e v e r a lp u m p i n gu n i t sw h o s e s t r o k e sw e r e1 2 ，1 5 ，1 8 ，2 1 ，2 5 ，3 0 m e t e r , a n dm a d ed e s i g na n dc h o i c eo ft h em a i n p a r t s 。 2 i th a sb u i l tt h em a t h e m a t i c sm o d e la n do p t i m i z a t i o nm e t h o dw h i c he m p l o y e di nt h e m a i np a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h ep u m p i n gu n i ti nt h ec b m w e l l s ，a n dd e s i g n e da n o n b e a mp u m p i n gu n i tw h i c hw a s3m o d e l1 5m e t e ro fs t r o k eb yu s i n gt h i sm e t h o d 3 i th a sg a v et w od e s i g np r o j e c t so fn o n - b e a mp u m p i n gu n i t ，a n dm a d ek i n e m a t i c a l a n a l y s i s ，d y n a m i ca n a l y s i sa n dt h ec h o i c ea n di n t e n s i t yd e s i g no ft h em a i np a r t sa b o u tt h et w o p u m p i n gu n i t s 4 i th a sa n a l y z e dt h em a i np a r a m e t e r sb yc o m p a r i n gw i t hs e v e r a lp u m p i n gu n i t so f3 m o d e l1 5m e t e ro fs t r o k ew h i c hw e r eu s i n gi no i lf i e l d ，p o i n t e do u tt h e i rs h o r t c o m i n g s ，a n d m a d et h es u g g e s t i o n so fc h o o s i n gt h ep u m p i n gu n i t 5 。a n a l y s i so ft h et h e o r ys h o w st h a tt h e 每秘c h o i c ea b o u tt h i sp u m p i n gu n i tc a nm e e tt h e n e e do ft h ee x p l o i t i n gb l o c ko ft h ec o a l b e dm e t h a n e ，t h em a i np a r t sm e e tt h er e q u e s tf o rt h e d e s i g nl o a d ，a n dt h es t r o k ea n dp u m p i n gs p e e dc a nm e e tm o r en e e d so fe x t e n s i v ee x p l o i t a t i o n i nc b mw e l l s 。w h a ti sm o r e ，t h ep u m p i n gu n i tr e a l i z e si t sb i gt r a n s m i s s i o nr a t i oa n dt h e r e q u e s to fa d j u s t i n gp u m p i n gs p e e di ns u c c e s s i o n ，s i m p l i f i e st h ee l e c t r i ca n dt r a n s m i s s i o n s y s t e m ，s t r e n g t h e n st h ea c c o m m o d a t i o no ft h ep u m p i n gu n i t ，a n dt h ew h o l eu n i to w n st h e a d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，l i g h tw e i g h t ，a n dh i 醢d e p e n d a b i l i t y s oi th a sg r e a tm e a n i n g t ot h ee x p l o i t a t i o no ft h ee o a l b e dm e t h a n eo fo u rc o u n t r y 。 k e yw o r d s ：c o a l b e dm e t h a n e ，p u m p i n gu n i t ，n o n - b e a mp u m p i n gu n i t ，o p t i m a ld e s i g n ，t y p e c h o i c e 1 1 1 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中囡石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我- - f q t 作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：1 够年多胃缈吕 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阕和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据霹进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密焉的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 邢# 为 翱。 日期：w 年乡月伽 霉雹游舅矽嚣 孛国磊淌大学( 华东) = 程硕士论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 煤层气，也称煤层瓦斯，是产生储藏在煤层中的一种非常规的天然气，以吸附和游 离状态储存于煤层当中。研究表明，煤层裂缝中的游离气不足总量的1 0 ，煤层气主要 吸附于煤层微孑l 隙的内表面。因此，要开采煤层气就必须使其从煤层中解吸出来。而只 有当地层压力低于煤层的临界解吸压力时，煤层气才会得到释放。旨前开采煤层气一般 采用抽排煤层中承压水的方法，降低煤层压力，使煤层中吸附的甲烷释放出来。煤层气 藏与常规油气藏的储层特点有较大区别。煤层气藏具有以下特点：煤层的弹性模量比 一般的砂岩或石灰岩储层低，一般小于一个数量级，而压缩系数高；气水共存；气 藏压力低；气层易损害；天然裂缝发育。因此，煤层气的开采，需要小型的采水设 备，将地层中的水开采到地面，减少储层中水的压力，增加煤层气的产量，达到开采煤 层气的冒的。 煤层气开采的主要对象是吸附气，开采主要机理即煤层气的解吸。煤层气井只有有 效地大面积均衡降压，才能获得有利的煤层气解吸条件n 1 。因此，降压状况决定煤层气 脱附效率( 即开发效果) 。综合上述分析，对煤层气井提出以下排采设想： 1 ) 加强对煤层气井的诊断分析，通过生产测井、试井分析等手段进一步分析射孔、 压裂效果、以便决定是否重新实施增产措施。 2 ) 有杆泵适应性强，操作简单，性能可靠，几乎不需保养，它的工作深度和排量 都能适应煤层气井的排液要求，建议推广使用有杆泵排液。但煤田煤层产水量低，故应 进步优选泵径及参数( 冲程、冲次) ，以适应排液要求。 3 ) 为防止固相堵塞，下泵抽排前应进行抽汲或提捞，直至排出相对清净的水为止。 以防煤粉、支撑剂等固相物质堵塞泵。 4 ) 排液要求。排液过程要力争做到既不破坏煤层，又可稳定连续地降低液面。由 于煤层产水量小，因此要控制液面下降速度。最终应将液面降至煤层以下，实现最小井 底流压和最大生产压差，让煤层完全暴露出来，以利于煤层气的解吸和产出疆3 。 煤层气排采设备是保障煤层气井连续稳定摊采的重要因素强3 。因此所用的排采设备 必须成熟可靠、持久耐用、节能低耗、易于维修，还要有较大范围的排液能力和控刳排 液、系统压力的能力h 3 。 第一豢绪论 作为煤层气地面开采的动力传动装置，主要是以有杆泵排采装置为主貉3 ，这是由于 有抨泵捧采设备适应性强，操作简单，性能可靠，几乎不需保养，它的工作深度和排量 都能适应煤层气开采的要求。需要指擞的是，这里的有杆泵排采设备以游梁式抽油机和 无游梁式抽油机为主。 目前，从我国煤层气的开采实际来看，排采设备以小型抽水机为主。而目前的小型 抽水机的研制，主要是从油田大型抽油机缩小尺寸得出，这样研制出的抽水机存在能耗 较大、成本高、体积较大和抽干气井的问题，难以满足市场需求和煤层气排采的需要。 本文关注小型抽水机的设计特点，分析小型抽水机的设计规律，设计出满足煤层气开采 需要的新型无游梁式抽水机。 1 2 有杆抽油系统概述 稻油天然气矿场常用的排水采气方法有游梁式有杆泵和气举两种，螺杆泵、水力喷 射泵等方法也在推广使用中，这些方法也可以应用于煤层气井的排水采气作业。参考国 外，尤其是美国的煤层气排水采气设备，得到煤层气排水采气的主要设备有：有杆泵、 螺杆泵、电港泵、气举泵、射流泵等排采设备。各种的人工举升开采煤层气的设备，如 图1 1 所示。 r 抽油泵传递能鲎 ：磊薹鸯抒泵 | r 泵抽法 ( h t h $ 7 、一目月h ，t $ 时问 闰1 - 3 煤层气井生产过程的三个阶段 p i 9 1 3t b h g o f p r o d u c t i o np r o c e s s i a c b m w e l l s 第一豢绪论 第一阶段为脱水降压阶段，主要产水，随着压力降到临界解吸压力以下，气体开始 解吸，气嚣相对渗透率增高，气薅开始觚并1 3 产出。气水产量主要取决予气、承褶对渗 透率的变化及甲烷解吸压力与煤层压力之间关系的改变，该阶段持续时闻可麓几天或数 个月。 第二阶段隽稳定生产阶段，产气量襁对稳定嘲，产水量耀对稳定，产水量逐渐下降， 一般为高峰产气阶段。 第三阶段为气产量下降阶段，此阶段随着压力降低，产气量下降，产出少量或微量 东，生产时阕般在l e 年以上潮。 其中煤层高峰产气期的数筐反映了煤层筋潜能，两高峰产气期静时间长短越是煤层 渗透性的体现汹1 。另外，毯杰煤层气井的生产曲线稳定时间较短，说骧压力的传递鄹裂 缝的渗透性仍是制约我黉煤层大量产气的个因素。 1 3 3 新型抽油机的设计 l 。游梁抽油机改进桃型 常规游粱式抽油机宙于四杆机构的限制，游粱摆蕉不能过大，导致整机体积过大， 重量偏重，为了克服这种抽油机的缺点，研制了摆轮式抽油机和双驴头式抽油机。这两 种挞油祝的共同特点是将嘲性连杆换成了柔性连符，这样，无论游梁摆角多大，其柔性 连杼可始终与游粱保持较大 熬转动熊，改善了动力性麓。毽也滋于增翔 了柔性连杆，其可靠性均大大降低。 在蓠置式抽、油机的基础上，发震的气平衡翦暨式抽渡枕鞠游粱重块平衡翦置式箍淮 机，是最近几年发展较快的新型抽油枫。 2 多连杆机构的抽油机 为了克服四杆枕构抽油机的缺点，近几年研制了数种采嗣六连秆传动机构的抽漓 机。其中有代表性的是旋转驴头抽油机和六连秆抽油机，这些梳型，部分竞n t 谣连轩 机构酶缺点，如游梁摆角榴对可】以稍大，结构比较紧凑，保留了常规四连枰抽、油机全转 动副的优点，穗常觏枕一样，管理 匕较方便，寿命长。同时也带有常规枫的一般缺点。 如减速箱上的扭矩波动较大等。一般认为可作为常规四连枰抽油机和滚筒、链条式抽油 机之间的补充机型。 3 。滚筒式抽油机 滚筒式抽油机是指利用换向机构驱动滚筒正、反转，并带动柔性件绕过天轮驱动悬 寒 孛器夏演大学( 肇东) 工程磺圭论文 点傲上、下往复运动的抽油机。这类抽油机按换向原理可以分成电机换向、机械换向及 液压挨寅3 类。按换囊时动力流方囱，又可分隽切换式器秃切换式两类。嚣前，常瘸滚 篱有心形滚簿、圭回零扭矩换向滚筒和普通滚麓等几种形式，平衡方式一般采用燕笼式 重块平衡。 凄。链条式抽溘槐 链条式抽油机( 链条机) 是指利用轨迹链条上的特殊链节，带动往复运动，从而驱 动悬点上、下运动的抽油机。这类机型有代表性的是胜利油田设计的气平衡式链条机， 其往返架采用正弦规梅型。优点：平衡瞧麓好，且调平餐方便，换怒穆工律对往返架受 到侧向力小，重量轻。但移动副较多，气平衡系统畜密封和失载绦护润题等，戮就故障 率较离，为了克服气平餐系统的缺点，人们试验了多馨申重块平德式链条机。它们虽然克 服了气平衡系统密封可靠性差的缺点，但增加了惯性载荷，使链条鞫特殊链节的受力恶 化刀。 十 ， 5 。液压抽油机 翟外液压抽油机熬研究和试翻时溺较长，大多在海洋采漓平台、大型丛式油井翡采 淮孛应用。 法国m a p e 公司生产的系列长冲穗撼油机，最大冲程长度为l o m ，冲次隽0 - 5 m i n 1 。 采用液压驱动。除具有长冲程抽油规优点之辩，该抽油视霹剩焉本身动力数每小时1 5 0 次的速度起下油管和抽油杆，不需要专门修井机进行起下作业，实现了作业和采油共用 一台机器。 美冒w g c o 公司研究的长渖程抽、油机采用液矮驱动系统，可手动操律、微劫操诈 和自动操作，还具有8 种傺护和报警功能，具有泵效高、功率小、寿命长等优点。 美国研制的液压驱动双井平衡抽油机，在丛式井的两霹相近油井上面，分别悬挂着 两个链轮，链轮上挂有一条链条，链条鼹端分囊与两翻井豹光轷相连，再剩角液压系统 驱动链条往返运动，进行抽油。这种抽油机结构简单，抽油机零部件少，成本低，占地 骶积小，所配驱动功率很小，具有较高的节约能耗效果。但合适的双井选择，在工艺上 较为困难，在油田难以大酉积推广。 美国w f l a r s o n 公司研制的l a r s o n 8 0 0 型液压驱动双驴头抽油机，也是利用两翮 油井的载荷相显平衡，剩用两个装在支架上的液缸驱动游粱上、下运动，使两搿油井溺 时抽演。两鞠油并焉一台接油税捶漓，具有较好酶经济效益。 爹 第一零绪论 6 。数控抽油机 数控撼漉枧是指采髑计算概或其番存铸、分耩功畿静蕊片捧为控制系统翁智能式接 油机，它的基本特征是能够通过传感器测出悬点载旖和产窭液的变化情况，剩嬲这些数 据，分析井下泵的工作状态，据此，调整抽油机的冲程和冲次及急圆性( 视配套的换向 机构不同) 等参数，使撩油泵处在最馕工作状态。数控式抽潼机和普通抽油机的区别仅 仅是该抽油机的控制系统采用了智能控制方式。 美国b a k e r 公司开发的自动化抽油机具有多种保护功能，一旦某些运行参数超过允 谗毽时，会囱动摄警箨车。此井，还配有泵抽空控制器，剃用它来鉴测光杆载蒋，苏授 及时发现擒油枕在抽油过稷中井下抽油泵的工馋状况，如液击或抽空等渊。 美国a p s 公司生产的蠢动化抽油机系统分孛嚣控铡器，可以监测、记录与分亳黠抽油橇 的以下参数：鬯动机妁输入、输出电流，输入、输燮功率及输出糍矩，带传动效率，减 速器传动效率及输出扭矩，连杆、游梁的威力，悬点位移、速度和加速度，电动机、曲 柄的瞬时和平均转速。这种系统分析控制器具有各种诊断和自动反馈调解功能，使抽油 枕处于最优掏汲工况潮。 美国n s c o 公司研制的世界上第台智能抽油枕，结构紧凑，憨高度不超过2 4 4 m ， 最大冲程长度鸯1 2 。1 9 m ，节约电机功率达1 0 , - - - 3 0 ，具有防抽空和防液力和气体冲 击功能，具有诊断、报警翻各种保护功能，采焉徽处理机穰叁适应电子控制器，对抽涟 机和抽油系统进行监测和控制，具有较高的抽油安全可靠性让引。 l 。3 。4 抽水枕关缝零、部件性能的研究 随着抽水机在煤层气开采上的运用，煤层气疆对抽水机的型号要求越来越小，可靠 性的要求越来越高，生产厂家对成本的控制越来越严，以满足煤层气开采的产水凝较低， 开采过程持续时间长，要求成本低的特点。因此，要求设计入员对抽水机的零、部彳孛进 行更加精缨的强、刚度分斩和设计，潋较小抽水枫型母，提高零部件鼢可靠性，降低制 造成本。进行的主要研究工作如下。 至。减速箱警辘和常见故障的研究 游梁式抽水机减速箱的常见赦障有：漏油、齿轮损坏、窜轴、轴承损坯等，都是影 响减速箱寿命的重要问题。最常见的漏油是主动、被动轴头的密封处漏油，尤其是主动 轴的密封醒处漏油最为严重。主要原因势：密封圈的安装和质量翔题；润瀑油液面过蹇 绒润滑油品不符合要求。可以通过改变密封结构，加强管理等方法解决。 l o 孛鬻石涵大学 簪东) 誓茬硕士论文 齿轮损坏的主要原因有： ( 1 ) 齿轮本身加工质量不好，如毛坯有缺陷、齿轮啮合精度不够等。 ( 2 ) 磨损，如减速箱缺油造成壤粒蘑损；采用润滑脂润淆时，冬季润滑脂不能吸 附在凿轮啮合蘑上，形成缺油，造成磨粒磨损，杂物进入箱内，造成磨损等。 研究表明，减速箱高速级窜轴一般发生在抽油机上、下死点换向的时候，主要原因 为低速轴或中间轴设计时过盈联结不能承受所传递的扭矩。在交变载荷的作用下，发生 滚键，中间轴与齿轮产生相对运动，造成主动轴窜轴。从动轴与齿轮产生相对运动，造 成上、下死点换向时抽油机减速箱内齿轮产生冲击。另外，制造误差，如螺旋角误差、 齿厚偏差等；设计缺陷，如主动轴或中间轴的剐度不足等；使用工况，如存在负扭矩等 也是造成抽油机减速箱窜轴和冲击的原因。 可见，克服减速箱窜轴，提高过盈量，提高加工和安装精度是有效的措施。 减速箱的轴承损坏，多发生在低速轴上，主要原因为轴承受力过大，造成强度破坏。 ， 另外，轴承间隙调整不当也是主要原因之一。 2 锁块式囱让位抽水机驴头 锁块式自谴位抽水机驴头让位机构的让位原理是，让位时，前拉驴头下部，使锁块 离开定位板，点动抽油机，向上死点运动，利用抽油机上、下死点驴头位置的变化，靠 驴头本身的重量，驱动驴头绕上挂销转动，让开井墨。复位时，将抽油机点动到下死点 附近，前拉驴头下部，听到类似与用撞锁锁门的声音，即完成驴头复位。该让位机构结 构简单，制造成本低，操作方便可靠，不用上驴头和游梁，让位后驴头不占用修井作业 空间，深受油田和抽油机制造研制厂的欢迎。 3 新的支架拓朴结构 游梁式抽水机的支架有桁架( 又称塔架) 式和三腿支架两种，在支架的有限元计算 巾，选择合适的有限元计算模型和载蘅计算准刹，是计算结果正确与否的关键。考虑抽 水机所受的风载和曲柄不同位置的载荷，把支架简化成刚性桁架，并把支架与地基视力 只有垂直方向约束的计算模型是较为合适的计算模型。 计算和实验表明，对于桁架型抽水机支架，主腿间斜撑的受力较大，其强、刚度对 支架变形和应力的影响较大；直撑对支架变形和应力的影响较小，可以采用只有斜撑的 抽水机桁架拓朴形式。桁架型抽水机支架的杆件中应力最大点在支架顶部和支架与底座 的连接处，为了减少支架的变形，支架的顶部应该用围焊钢板或其他型材的方法进行加 强。 第一拳绪论 对于安装在减速器高底座上的三腿支架，主腿闻的直撑对抵抗抽水机承受的风载有 重要作用，特别是上部的直撑，其强度和刚度必须保涯。主腿下方减速器的高底座承受 较大的交变载赞，容易引起高底座的变形进面影响减速器底部的变形，造成减速器底部 的开裂，因此，对支架主腿下方的减速器高底座要进行适当加强。 4 曲柄销损坏原因的研究 曲柄销是抽油机的关键部件也是易损件。研究表明，抽水机曲柄销的损坏般具 有先松动后疲劳破坏的特征，在较大的接触应力作用下，抽水机曲柄销套和曲柄体之间 出现微动毖损，在大端扩孔，受力点逐渐向曲柄销的小头过渡，这样，在曲柄销的小端 产生较大的弯趣疲劳应力，如果曲柄销还承受扭矩，在扭矩的作用下，益橇销螺母将不 断自紧，使小端所受的拉应力增加，造成曲柄销在小端的疲劳断裂。 曲柄销是承受交变载荷的关键零件，应该选用抗疲劳性好，性能稳定，加工和热处 理性能好的材料制造。结构上，应选用保证大端接触的结构。 5 双圆弧齿轮减速器理论的研究 双圆弧齿轮减速器方面的主要理论研究成果有： ( 王) 建立了相对完善觞双圆弧齿轮设计、制造、标准体系。 ( 2 ) 对减速器的啮合刚度变化规律、振动特性、振动方程等进行了较系统的研究， 基本建立了适合于圆弧齿轮的动力学分析方法。 ( 3 ) 对轮齿修形、阻尼等减振降噪方法进行了理论分析和试验研究，取得了令人满 意的试验结果。 ( 4 ) 对圆弧齿轮减速器的优化设计进行了深入研究，建立了双圆弧齿轮减速器参数 优化设计数学模型及优化方法的选取技术，产生优化初始点的方法，取得了显著的优化 结果。 ( 5 ) 对错齿、短齿等新齿轮工艺在减速器的应用进行了广泛的研究，取得了较好的 研究成果。 ( 6 ) 提出了双向圆弧齿轮等新的圆弧齿轮啮合形式等。 6 抽水机用大启动力矩多速电动机和调速电动机的研究 新型大启动力矩多速电动机具有以下特点： ( 王) 多速可调可控。电动机有二速和三速，可根据特定环境及生产的需要实现远距 离调参、控制，满足生产要求，并使耗电量降到最低。 ( 2 ) 每速度下均可带动抽水机一次乎稳启动并长期可靠运行，具有大窟动力矩积 1 2 孛嚣舔演大学( 孥泰) 工獠硕士论文 大的输出功率，从根本上解决了掰犬马拉小车”的难题。 ( 3 ) 网概窿号翰邀动祝努形及安装尺寸与遴骞誊雷际主逶瘸豹普通y 系列奄动机相 犀，用户无需改变安装方式就可方便地数瓤型电动枫替换原电动槐。 这种电动机采用变极调速方法。即利用电动机接线变化来改变电动机的极对数，达 到调速的目的。 抽水机调速电动机实现了抽油视的低冲次和无级可调冲次，可以方便地实现低产井 供排能力平衡，改善抽汲系统的工况和效果。 。毒煤层气开采抽水祝应用状况分析 圈蘸备煤田在用抽水毫嚏中，以冲程在3 m 以下，悬点载旖小予5 型的小型机为主力 规型。这种状况由以下几个原因造成： 1 蠢予我冒煤层相对较浅( 一般在1 0 0 0 m 以浅) ，载葡较轻，现场常选用小型机与 电磁调速电机配合使用，实现抽水机的无级调速，即可保证液面平稳下降，使煤层气的 排采工住顺利进行。 2 。考虑到负荷的变化。煤层气并只有在开抽时负荷较大，随着开采的不断深入，驴 头的负蘅逐渐减小，蓬常生产时，勘液委接近泵的位置，其负蒋近似等于撼漓杆的重量。 3 。考虑到振动负蘅的影响。扇子抽水机的冲程较小、冲次较低，因此动负蕊的影 响较小。 截止到2 0 0 7 年，我国各煤田煤层气开采所用抽水机基本参数的调查数据如表1 一l 所示i 表1 - 1 接求视基本参数 t a b l e l - 1t h eb a s i cp a r a m e t e r so fp u m p i n gu n i t 额定悬点载荷光杆最大冲程 减速器撤大扭矩 序号 抽水枧规格代号 ( 娥簿) 黼) ( k n m ( 瞻璜) ) l2 0 6 2 。82 q ( 2 )0 62 。8 ( 2 8 0 ) 23 一1 2 6 。5 l 。2 6 。5 ( 6 5 0 ) 3 3 1 5 6 5 3 0 ( 3 ) 1 5 43 艺。l 1 32 11 3 ( 1 3 0 0 ) 54 1 。5 - 9l 。5 9 ( 9 0 0 ) 6 4 - 2 。5 。1 3 4 0 ( 4 )2 51 3 ( 1 3 0 0 ) 74 3 1 8 31 8 ( 1 8 0 0 ) 8 5 * l 。8 1 3 l 。8 1 3 ( 1 3 0 0 ) 9 5 2 1 1 32 1 1 8 5 乏。5 8 5 0 ( 5 ) 2 。5| 8 ( 1 8 0 0 ) l l5 3 2 63 第一囊缮沦 从上表可知，舀前煤层气开采所用抽水机的冲程较小、冲次较低，额定悬点载荷较 小，童戴即可穰好酶适应煤层气排采实际的需要。 小型抽水机具有体积小、重量轻、操作方便等特点，从蔼为运输、安装及使用带来 了定的方便。采用较小冲程、低冲次小型抽水机，不仅有利于煤层气的开采，两且可 降低排采过程中的冲程损失，提高抽油泵的充满系数，因藤可以达到增产熬嚣煞。壶此 可以知道，设计性能良好的小型抽水机，可提高排采设备的性能、提高产量、降低开采 的生产成本、提高煤层气排水采气的经济效益。 1 5 小型抽水机的特点 分析表踢，小型枕具有以下特征： 圭。小型祝受荷减小，新数零部件受力显著降低，对强度鲐要求较易满是。磐6 鍪 游梁式抽水机的连杆拉力为1 0 0 k n ；而同样型式的3 型机连杆拉力小于2 5 k n 。 2 大型抽水机为了避免工作时悬点加速度过大，对传动角的要求高，般蒙求压 力角找鹉0 0 3 6 棼，毒就导致游梁静摆熊较小。丽小型枫靛负荷小，可以适娄熬增大游粱 摆角来增加冲稷，整机结构尺寸变小。 3 。减速器是抽水枧的关键部件。大型机减速器输爨轴扭矩大，对减速器的簧求嵩， 常飙蘧焉减速器不麓满足要求，需要焉特殊减速器。露蘸我匿撼油枫行业凡乎全都采惩 双圆弧齿轮减速器，其加工量大，生产批量较小，加工成本高，使用维护成本菇。丽煤 层气开采用的小型机负荷小，对减速器的要求降低。可以选用通用减速器，从耐可较大 耀度静降低成本。 4 小型机的售价有隈，因此，成本承受能力较低，所以，对传动机构简化要求提 态。辫此，应根据小型机的特殊规律来设计小型抽水机。 1 6 本文研究的主要内容 按照上蕊的分析，确定的本文主要研究内容如下： l 、进行小型抽水机的选型研究，确定冲程为1 2 m ，1 5 m ，1 8 1 1 1 ，2 。l m ，2 5 m ，3 0 m 等几种抽水机合理的型式，并进行主要部件的分析设计和选择。 2 、确定小型枫设计的优化模型。 3 、对一种3 鎏1 5 米渖程的小型抽水梳进行优纯设计和主要零郝释翡选择与强度设 计。 l 毒 孛黧五淫大攀 r 蝣y = t s i n ( a 1 ) + p 分析曲柄的受力，如图3 6 所示。 网3 - 6 曲柄受力分析简圈 f i 9 3 - 6 t h es t r e s sa n a l y s i sd i a g r a mo fc r a n k 3 2 孛藿磊演大学( 华东) 王程矮论文 得到，蓝柄上的力矩m ，支架作用在曲柄上的力为： m = 一t x l c o s ls 泌妒l + t x ls i n a lc o s 伊, - x 5c o s ( 妒1 + r 4 ) 式中，x 7 为平衡曲柄的等效长度。 3 。2 。3 初始位置的确定 r 4 l 2 一t c o s a l r 4 l y = - t s i n a l xs | x ， ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 设抽水机曲柄在水平位置时，为抽水机工作和计算的初始位置，则有，其计算篙圈 如图3 7 所示。初始位置的工作初始角为： e 爪、x 6 月2 厂 c 叼 誓 弋。y 瓢； 0l 秒? c o 辨 图3 - 7 抽永祝初始位置计算简图 f i 9 3 7t h ec a l c u l a t i n gd i a g r a mo fi n i t i a lp o s i t i o na b o u tp u m p i n gu n i t 铲矿e 毒篆蕞， 协 公式( 3 i ) 中，c o 的初始值为： c o 。x , t g a o ( 3 1 3 ) 按照数值分析中的公式，可以证明，式( 3 1 2 ) 是收敛的。其迭代收敛的实例如下 所示，图示的证明如圈3 8 所示。 3 3 第三章c y j y 3 1 5 - 6 5 h b 纛游粱搀拳辊设计 0 、 e o 、 v v 熟6 埘2 n 兰 翻：， 。夕 7 二“r 。 3 3 撬4 x 2 图3 - 8 迭代收敛验证实例 f i 9 3 8 t h ev e r i f i e de x a m p l eo fi t e r a t i o nc o n v e r g e n c e 取x 3 = 17 9 2 m m ，x 2 - x l = 2 3 0 0 m m ，x 6 = 2 5 0 m m 。按照 铲t g - ! c 芒糯， 赋初值并进行迭代，计算的结果如表3 1 所示，从表3 - 2 可知，从3 5 度开始迭代， 当迭代到第六步时达到收敛精度的要求。 表3 2 迭代计算的结果 飘b l e 3 - 2譬h er e s u l t so fi t e r a t i v ec a l c u l a t i o n 迭代步数 qo 初值 旺。迭代值 1 3 5 ( o 6 1 1 ) 0 7 4 6 2 0 。7 0 3 30 。7 4 7 4 0 7 4 7 50 。7 4 7 60 7 4 7 7 收敛 3 。3 抽水机主体参数的优化设计 3 。3 。 雩| 言 无游梁抽水机的主参数是指抽水机四连秆机构的支架相对位置、平衡重偏置角及平 衡扭矩等。主参数的取值大小，不仅蛊接决定抽水枫的结构尺寸大小和重量以及传递运 3 4 审国石油大学( 臻东) 工稷硕士论文 动和动力性熊，焉且还壹接影响到抽水机系统的工傺性能。它的选择是一个重要的经济 技术问题，合理确定主参数，傲到它们之间豹最佳选配，能使所设计的无游粱抽水机发 挥最大效益。 3 。3 。2 数学模型的建立 1 强标函数 无游粱抽水枫主参数优化设计是一个复杂的多目标函数优化设计问题。若采用单一 嚣标醢数函数寻优，难以求得最理想的计算结巢。为了系统、全面的体现抽水桃的综合 性能指标，我们在无游梁抽水机优化设计溺标蕊数选择方西，广泛地涉及到了抽水机的 运动性能指标、动力性能指标、麓耗指标等，综合考虑到各项指标对抽水枫工作性能的 影响程度，选用“以熊耗小、重量轻，综合性能指标要好 轴5 1 为寻优疆标。下面对为达 到寻优目标所选择的器项指标一一进行论述： 上冲程最大扭矩因数t f m 找 众所阂知，扭矩因数豫是曲柄挝矩和悬点载荷的比僮。以补m 默作为鹭标函数， 是为了使光杆载荷产生的扭矩最大值减小，从丽使减速器输出轴净拯矩l 凿线平缓， 降低减速器峰值搬矩和减速器输趣轴均方根净摄矩。对予一台抽水机来说，具有最小的 上冲程最大扭矩因数，并不意味玄动力性能良好。但是对于台性能照好的抽水枧，鬃 有较小的主冲稷最大扭矩因数是必要的。 上冲程驴头最大加速度a 燃 选择上冲程驴头最大加速度这个运动指标为譬标函数是为了减少悬点的最大动载 祷。运动参数的良好，很难具体体现抽水机在动力性麓方面的优越性，运动参数只能从 某一侧面缀映抽水机的动力性能。同邗m 弑样，对于一台性煞较好的抽水机来说，其 有较小的上冲穗驴头最大加速度舣也同样是茹要的。 减速器输出轴均方根功率 减速器输擞转均方根功率n 科蛊接反映了抽水机工作时的能耗。降低它是为了降低 撼水枫的能耗，以达到节能的嚣的。 减速器峰值扭矩m n m 糕 很明显，减少峰值扭矩m n m 粼，可以降低减速器输出轴净掇矩的波动，从聪改善传 动性缝，提离传动的平稳性，使传动处于良好的工作状态，而且可降低减速器齿轮最大 载荷，延长减速器寿命。 第三章c y j y 3 - 1 。5 - 6 5 h b 光游粱捅水杌设计 减速器最大负扭矩i m 1 同m n m 戤，减小减速器最大负扭矩i m n g i ，可降低减速器齿轮反向冲击载荷，而且可 使抽水机减速器输出轴净拯矩的波动变小，同样也可延长减速器的寿命。 支承的最大水平分力飓镀m 戡 降低支承最大水平分力r 3 钮。双，可以减轻抽水机支架的摆动幅度，达到提高支架稳 定性的目的 交变载荷系数c l f 0 1 交变载荷系数是无游梁抽水机载荷平稳性指标，是抽水机减速器输出轴均方根扭矩 与减速器输出轴平均扭矩的比值。交变载荷系数c l f 尽量接近l ，可减小曲柄轴净扭矩 在工作中的波动，提高抽水机载荷的平稳性。 平衡率硅呻l 平衡率n 是抽水机下冲程和上冲程中减速器输出轴最大净扭矩的比值，平衡率礓反 映了抽水机的平衡效果。平衡率r l 越趋近1 ，说明抽水机的平衡效果越好。 2 设计变量 本文是对无游梁抽水机主参数进行优化设计，所以设计变量选： 防 五 x 2 x 3 x i x 5 x 6 式中，x i 曲柄半径，m ； x 2 曲柄转动中心到天轮转动中心的水平距离，m ； x 3 曲柄转动中心到天轮转动中心的垂直距离，m ； ) ( 4 平衡偏置角，( 。) ； x 5 平衡力矩，k n 强； x r 天轮半径，m 。 3 约束条件 对于无游梁抽水机的设计，选约柬条件为： 具有曲柄的条件： 审藿石溜大学( 华衷) 王程硕士论文 极位夹角：取0 0 5 父 l 。8 0 0 支架垂直距( m ) 2 2 0 陵橇平衡力矩( k n 壤) 1 6 曲柄平衡偏履角o )3 3 o 减速籍额定力( k n 呻 6 。5 型号 y c t l8 0 - 4 a 毫祝特性功率( 1 ( w ) 4 0 转速( r r a i n ) 1 2 5 1 2 5 0 3 3 5 无游梁抽水机的基本性能 该抽水机在两种情况下的基本性能分别如表3 5 和表3 - 6 所示。 表3 5 无游梁挞求桃的基本性能( 背著溺转) t a b l e 3 5t h eb a s i cp e r f o r m a n c eo fn o n b e a mp u m p i n gu n i t ( w e l l h e a dr o t a t i o ni nb a c k w a r d d i r e c t i o n ) 参数数值备注 悬点最大加速度( m s 2 ) 0 2 4 4 冲次为6 次 最大下f 值( m ) 0 4 7 5 均方根功率( k w ) 2 0 5 冲次为6 次 3 8 孛国看涵大学( 牮东) 誓程硕士论文 表3 。5 ( 续) 参数 数值 备注 减速箱最大轾矩( k n m )5 1 5 皮带最大拉力( k n ) 3 0 。o 支架最大水平力( 斟) 1 5 4 5 支架含力( k n )5 8 5 0 表3 石无游粱抽水梳酶基本性能( 良井露转) t a b l e 3 - 6t h eb a s i cp e r f o r m a n c eo fn o n b e a m p u m p i n gu n i t ( w e l i h e a dr o t a t i o ni nf o r w a r d d i r e c t i o n ) 参数数 壹备注 悬点晟大加速度( m s 2 ) 0 2 4 1 冲次为6 次 最大t f 馕( 哟 0 4 7 4 均方根功率( k w )1 7 0 冲次为6 次 减速籍最大扭矩( k n m ) 4 。3 7 皮带最大拉力( k n ) 3 0 。o 支架最大承平力( 磷)2 0 4 4 支架合力( k n ) 5 6 0 8 其设计方案一总装图的正视图、左视图和俯视圈分别如图3 - 9 - 图3 。1 1 所示。 图3 - 9c y j y 3 1 5 - 6 5 h b 无游粱抽水机设计方案一总装圈的正视图 f i 9 3 - 9t h ee l e v a t i o no fg e n e r a la s s e m b l yd r a w i n ga b o u tt h ed e s i g np r o j e c t1o fc y j y 3 1 5 6 5 h b l l o f l b e a mp u m p i n gu n i t 3 9 第三章c y j y 3 1 5 - 6 5 h b 光游粱擒承杭设计 图3 1 0c y j y 3 1 5 6 5 h b 无游粱抽水机设计方案一总装图的左视图 f i 9 3 1 0t h el e f tv i e wo fg e n e r a la s s e m b l yd r a w i n ga b o u tt h ed e s i g np r o j e c t1o fc y j y 3 - 1 5 - 6 5 h b n o n - b e a mp u m p i n gu n i t 图3 1 1c y j y 3 - 1 5 6 5 h b 无游梁抽水桃设计方案一总装圈的俯视图 f i 9 3 - 1 1t h et o pv i e wo fg e n e r a la s s e m b l yd r a w i n ga b o u tt h ed e s i g np r o j e c t1o fc y j y 3 1 拳6 5 h b n o n - b e a mp u m p i n gu n i t 其设计方案二总装图的正视图、左视图和俯视图分别如图3 。1 2 图3 1 4 所示。 巾星荟瀵大学( 华东) 工程硕论文 图3 1 2c y j y 3 1 5 。6 5 h b 无游粱抽水机设计方案曼总装圈的正视图 f i 9 3 1 2t h ee l e v a t i o no fg e n e r a la s s e m b l yd r a w i n ga b o u tt h ed e s i g np r o j e c t2o fc y j y 3 1 5 6 5 h b n o n - b e a mp u m p i n gu n i t 图3 1 3c y j y 3 1 5 - 6 5 h b 无游粱抽水机设计方案二总装圈的左视图 f i 静- 1 3t h el e f tv i e wo fg e n e